基于超声波测距的室内移动机器人自主导航技术研究

摘要

随着科学技术的发展及人们生活水平的提高，室内移动机器人取得了快速的发展及广泛的应用。自主导航技术是室内移动机器人的最基本也是最重要的一项技术，是完成其他智能化任务的前提。为了实现室内移动机器人应用的普及化，研究一种高精度、低成本的机器人导航系统有着重要的意义，相对于其他传感器，超声波传感器具有定位精度高、低成本等优势，同时也具有定位范围较小的缺点。因此本课题研究了较大范围下利用超声波传感器进行高精度定位的方法，并在此基础上进行了路径规划算法的研究，最终实现了室内移动机器人的自主导航。
　　首先，分析了超声波传感器定位的基本原理，针对其定位范围小，设计了环绕式超声波模块并且通过动态测量改进超声波定位算法。建立双重扩展卡尔曼滤波模型将改进超声波算法定位数据与基于编码器的航位推算定位数据进行融合以得到最优位姿，并且通过matlab仿真验证了本文定位算法的在保证定位精度的前提下大大扩大了移动机器人的定位范围。
　　其次，采用栅格法描述地图，提出了一种基于改进A*算法全局路径规划与基于模糊控制局部路径规划相结合的算法。在 matlab环境下对 A*算法及改进A*算法进行对比验证，结果表明改进后的 A*算法转折次数减少并且效率明显提高，有利于移动机器人导航的实时控制，建立了基于模糊控制的局部路径规划系统，通过仿真验证了移动机器人局部避障的可行性。最后进行了基于改进A*与基于模糊控制路径规划结合算法仿真，结果表明该算法能够高效规划出较为平滑的路径并且能够实现移动机器人局部避障。
　　再次，进行了移动机器人的硬件部分的搭建以及程序的设计，硬件部分包括超声波定位系统的硬件搭建、基于下位机主控的硬件搭建；软件部分包括发射控制器、接收控制器程序设计、基于下位机传感器读取及电机控制程序的设计、最终完成了导航系统主控程序的设计。
　　最后，通过实验验证本文基于超声波传感器的定位及路径规划算法。结果表明本文算法扩大了超声波传感器的定位范围且定位精度小于10cm能够满足室内定位的要求，并能够实现机器人实时导航及局部避障。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 室内移动机器人国内外研究现状

1.3 室内移动机器人定位发展现状

1.4 室内移动机器人路径规划算法发展现状

1.5 主要研究内容

第2章 室内移动机器人定位算法研究

2.1 引言

2.2 移动机器人系统模型

2.3 基于超声波传感器的定位原理

2.4 动态测量定位研究

2.5 基于双重扩展卡尔曼滤波的定位信息融合

2.6 本章小结

第3章 室内移动机器人路径规划算法研究

3.1 引言

3.2 路径规划总述

3.3 基于改进A*算法的全局路径规划研究

3.4 基于模糊控制算法的局部路径规划研究

3.5 基于改进A*和模糊控制路径规划算法仿真

3.6 本章小结

第4章 室内移动机器人导航系统设计

4.1 引言

4.2 导航系统硬件选择

4.3 导航系统软件程序设计

4.4 本章小结

第5章 室内移动机器人定位及导航实验

5.1 引言

5.2 定位系统性能调试

5.3 室内移动机器人定位实验

5.4 室内移动机器人导航实验

5.4 本章小结

结论

本文主要取得了如下研究成果：

对未来工作的展望：

参考文献

声明

致谢